Departamento de Engenharia Mecânica
VISUALIZAÇÃO DO ESCOAMENTO DE UMA BOLHA DE TAYLOR
COM EQUIVALÊNCIA DE ÍNDICE DE REFRAÇÃO FLUIDO/TUBO
Aluno: Pedro Gabriel Tavares Vieira
Orientador: Luis Fernando Alzuguir Azevedo
Introdução
Este estudo foi baseado na visualização de uma bolha de ar ascendente numa tubulação
vertical com o fluido líquido estagnado. Este tipo de escoamento é conhecido como
escoamento bifásico de uma bolha de Taylor. Foram utilizadas técnicas de iluminação para
detecção das fases ar e líquido e a utilização de uma solução que tem o mesmo índice de
refração da tubulação utilizada, visando tanto um melhor contraste das fases como também a
eliminação de distorções ópticas. Para este fim, foi utilizada uma seção de teste já presente no
laboratório.
Objetivo
Objetivo deste trabalho foi a utilização de técnicas de visualização para escoamentos
bifásicos ar- líquidos. A primeira técnica baseia-se na iluminação de fundo por uma matriz de
LED’s. A segunda foi a preparação e utilização de uma solução de Iodeto de Sódio (NaI),
assim igualando o índice de refração da tubulação de acrílico utilizada.
Seção de Testes
A seção de testes utilizada consistia em uma tubulação de acrílico de 32mm de diâmetro
externo, com 3mm de espessura e comprimento de 1 metro. Uma estrutura de perfis de
alumínio extrurado (Bosch) foi montada para a sustentação da tubulação. Um reservatório de
acrílico foi fixado em uma das extremidades do tubo para o armazenamento do fluido líquido.
Na outra extremidade foram adaptadas duas válvulas para a produção das bolhas de ar. Uma
caixa de visualização foi montada próximo à extremidade superior do tubo.
Técnica de Iluminação de Fundo
Esta técnica consiste numa iluminação uniforme e de fundo a partir de uma matriz de
LED´s de alta capacidade de iluminação. Essa técnica proporciona o contraste das bolhas de
ar presentes no escoamento. O escoamento é iluminado com uma fonte constante de luz por
trás, para que os espaços preenchidos por ar ganhem uma coloração mais escura do que
restante da imagem preenchida por fluido liquido, tornando a interface líquido-ar mais nítida e
com maior contraste.
Solução de Iodeto de Sódio (NaI)
A fim de se resolverem os problemas ópticos já tratados neste relatório, há algum tempo
tem-se utilizado (Uzol et al, 2001), em pesquisas relacionados a medição de escoamentos, a
solução de NaI em água que reduz significativamente os problemas de distorções ópticas
relacionados a diferença de índices de refração entre o fluido e a tubulação. No trabalho de
Uzol et al, 2001, foi utilizado uma concentração de 64% em massa de NaI. Com isso, foi
obtido o índice da solução de 1.49, igualando ao índice do tubo de acrílico. Um dos
problemas desta solução é a formação de íons de I −3 em presença do oxigênio de da luz.
Porém a estabilização da solução é obtida através da adição de 0.1% em massa de Tiossulfato
de Sódio (Na2 S2 O3 ).
Departamento de Engenharia Mecânica
Metodologia aplicada no processo de visualização da bolha de Taylor
Para implementação da técnica de visualização da bolha, foi utilizado um painel
composto por 120 LED’s. Esse painel era alimentado por uma fonte de corrente contínua. A
bolha de ar era produzida manipulando-se as válvulas e permitindo a entrada de ar em
contrapartida com a saída da solução. O tamanho da bolha desejado era controlado pela
drenagem do fluido, abrindo a válvula inferior e posicionando um béquer graduado onde era
medido o volume do fluido que saia e conseqüentemente o volume da bolha que seria
formada. As imagens da bolha e do fluido foram capturadas por uma câmera de alta
freqüência, modelo Motion Pro-X3. Foram obtidas cerca de 2000 imagens por experimento,
com uma taxa de aquisição de 1500 quadros por segundo. Vale ressaltar que em razão da alta
freqüência de aquisição das imagens, estas apresentavam um alto nível de detalhamento,
permitindo uma analise mais exata dos fenômenos físicos ocorrentes.
Conclusão e resultados obtidos
O presente trabalho possibilitou validar a utilização do sal NaI, em solução aquosa,
como principal instrumento de redução das distorções ópticas produzidas pela diferença entre
o índice de refração entre o fluido (água) e o acrílico. As imagens obtidas com a técnica de
iluminação e com a solução salina de NaI foram de maior contraste e definição da interface
entre as duas fases, quando comparadas com as imagens obtidas por Rabello (2007). Alé m
disso, as bordas escuras presentes nas imagens de Rabello (2007) na parede interna do tubo
foram totalmente eliminadas através da igualação dos índices de refração. Com isso, a
definição da parede interna da tubulação através de um processamento de imagens irá ocorrer
de forma mais exata, trazendo benefícios na utilização de técnicas futuras, como Velocimetria
por Imagem de Partícula (PIV).
Referências
[1] - RABELLO, P.C..Visualização e velocimetria de escoamento Bifásicos Utilizando
florescência induzida a lazer. Rio de Janeiro 2007. Monografia de trabalho final –Faculdade
de Engenharia Mecânica -Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-RJ)
[2] – UZOL, O., CHOW, Y.-C., KATZ, J., MENEVEAU, C.. Unobstructed particle image
velocimetry measurements within an axial turbo-pump using liquid and blades with
matched refractive indices. Journal of Experiment and Fluids, vol.33, n. 3, 2002.